Double-Clad Fiber-Based Systems and Devices as a Therapeutic and Diagnostic Tool for Barrett's Esophagus

L'oesophage de Barrett est une pathologie pré-cancéreuse caractérisée par la présence d'épithélium gastrique au niveau du segment inférieur de l'oesophage. La détection précoce ainsi qu'une surveillance périodique de cette pathologie sont critiques d'autant plus qu'un risque élevé de développer un adénocarcinome oesophagien, une forme cancéreuse avec un taux de survie après 5 ans de 13%, y est associé. Les patients atteints de l'oesophage de Barrett doivent subir une surveillance périodique impliquant la collection d'échantillons de biopsie dans chaque quadrant et à tous les 2 cm le long du segment affecté, une procédure réalisée sous guidage gastroscopique. Étant donné la nature aléatoire et le taux d'échantillonnage faible, cette procédure est typiquement associée avec un taux élevé de résultats faux-négatifs. L'amélioration de l'efficacité ainsi que la diminution des coûts de la surveillance de l'œsophage de Barrett aurait un impact significatif sur la gestion clinique de ces patients. La tomographie par cohérence optique (optical coherence tomography ou OCT) a été proposée pour le guidage de la collection d'échantillons de biopsie afin d'en augmenter le rendement et de réduire le taux de faux-négatif. L'OCT est une technique d'imagerie optique basée sur l'interférométrie à faible cohérence permettant d'obtenir des coupes transversales de tissus biologiques jusqu'à quelques millimètres en profondeur et avec une résolution de l'ordre de 10 μm. L'OCT de l'oesophage est typiquement réalisée à l'aide d'une sonde fibrée en rotation incluse dans un cathéter à ballonet. Afin d'identifier la région d'intérêt pour la biopsie, un laser à haute puissance est utilisé, à travers la même fibre optique, afin de produire une marque superficielle de coagulation visible à la gastroscopie. Cette procédure est appelée le marquage par laser. Ce concept a d'abord été démontré à l'aide d'un laser continu avec une durée d'illumination qui, pour obtenir un marquage avec un contrast sufficient, nécessite l'arrêt de la rotation de la sonde. En plus d'allonger la durée de la procédure, le marquage et l'imagerie ne peuvent pas être faits simultanément. Nous proposons ainsi un système permettant le marquage par laser dynamique, c'est-à-dire que le marquage est réalisé avec la sonde en rotation, simultanément à l'OCT. L'utilisation d'une puissance crête élevée et de pulses courts pourraient permettre le marquage par laser dynamique en tirant avantage du confinement thermique de l'énergie.

Abstract

Barrett's esophagus is a pre-malignant lesion characterized by the presence of gastric epithelium lining the lower esophagus. Early detection and surveillance of this pathology is critical as it is associated with an increased risk for esophageal adenocarcinoma, a form of cancer with a 5-year survival rate of 13%. Barrett's esophagus patients undergo periodic surveillance involving four quadrant biopsies every 2 cm along the Barrett's segment under video endoscopy guidance. However, given the randomness and the low sampling ratio of the biopsy collection,the procedure is typically associated with high rate of false-negative results. Increasing the efficiency and the cost-effectiveness of endoscopic surveillance of Barrett's esophagus would have a significant impact in the clinical managements of these patients. Optical coherence tomography (OCT) was proposed as a means to guide the biopsy procedure, therefore increasing the biopsy yield and reducing the false-negative rate. OCT is an optical imaging technique using low-coherence interferometry to provide cross-sectional images of tissues to a depth up to a few millimeters with a resolution on the order of 10 μm. OCT imaging of the gastro-intestinal (GI) tract is typically performed through a rotating fiber optic probe within a balloon-catheter. To identify a biopsy's region-of-interest, a higher power laser is propagated through the same fiber optics in order to create a superficial coagulation mark onto the tissue visible under video endoscopy, a procedure called laser marking. Previous implementations used a continuous laser such that, to achieve a coagulation mark with sufficient contrast, the duration of the irradiation required the catheter's rotation to be stopped. In addition to lengthening the procedure time, marking and imaging could not be done simultaneously. We herein propose a system capable of dynamic laser marking (i.e. marking is performed on-the-fly, while the catheter is spinning) for concurrent imaging and marking. The use of high peak power and short pulses could enable dynamic laser marking, taking advantage of thermal confinement.